嵌入饱和软粘土中的能量桩所承受的周期性热诱导轴向载荷

《Geomechanics for Energy and the Environment》：Cyclic thermally-induced axial load for energy piles embedded in a saturated soft clay

能量桩在软黏土中受热-水-力学耦合作用，研究热崩溃效应对桩轴力的影响。通过ABAQUS数值模拟，对比不同本构模型，发现热崩溃显著改变轴力分布，简单模型不适用。建议设计中考虑热崩溃及多桩协同效应。

　　

作者：Chiara Iodice、Raffaele Di Laora、Alessandro Mandolini

意大利阿韦尔萨，坎帕尼亚大学‘Luigi Vanvitelli’工程学院

摘要

能量桩在其整个使用寿命期间都会受到循环热载荷的作用，这些载荷与上部结构的机械应力共同作用，同时能量桩还承担着热交换器和载荷传递元件的双重功能。当能量桩安装在软土中时，会积累循环位移，而在受热坍塌影响的粘土中，这种位移的幅度会更大。本研究通过对其在正常固结饱和粘土中的单根能量桩进行完全耦合的热-水-力学数值分析，探讨了热坍塌现象对热诱导轴向载荷可能产生的影响。分析过程中还采用了一些先进的土体本构模型来捕捉土体的特殊行为特性。结果以能量桩沿轴线方向的热诱导轴向力及其逐循环变化情况的形式呈现。通过模型对比，明确了热坍塌对桩性能的影响，并评估了简单模型描述桩-土相互作用能力的适用性。研究发现轴向力与循环热载荷之间存在显著依赖关系，这强调了在能量桩设计中考虑这一因素的重要性。

引言

当浅层土层不够坚硬或强度不足，无法承受结构传递的荷载时，通常会采用桩基设计。桩基的设计需要评估绝对位移和差分位移（这些位移必须符合结构使用要求），以及应力状态（应力必须远低于失效临界值）。当桩基同时用于能量储存时，它们还需与土壤进行热交换，以满足建筑物内部空间的供暖和制冷需求。因此，桩基会因与周围土壤及同一基础上的其他桩基的热相互作用而经历温度变化，从而导致应变和应力的变化（例如，温度升高时桩基伸长，温度降低时桩基缩短）。值得注意的是，当同一基础上的能量桩数量较多且所有桩基都处于热激活状态时，桩基的自由度会降低，接近自由头条件（参考文献：4, 9；Rotta Loria等人，2018年）。

现有文献中的许多研究聚焦于循环沉降的评估，这些研究指出了沉降对系统性能的潜在影响，尤其是针对砂土（例如，22, 24, 33, 35）和粘土沉积物（例如，Ng等人，2014a；37, 25, 7, 2023；Qui等人，2025；31）的情况。其中一些研究针对的是安装在正常固结饱和粘土中的桩基，这类粘土在排水条件下受热时会发生体积坍塌，从而进一步加剧位移积累。然而，关于安装在砂土中的能量桩在热诱导循环载荷下的响应的研究较少（例如，Ngyen等人，2017；10, 32, 2016），而对于正常固结粘土的相关研究则更为匮乏，尤其是忽略了热坍塌对热诱导轴向载荷的影响。

本文的研究目的包括：¹分析能量桩在正常固结饱和粘土中的热诱导轴向载荷随循环次数的变化（分析中未考虑超固结现象）；²阐明粘土热坍塌对这一现象的影响；³评估包含能量桩的桩群设计中的相关因素。为此，采用ABAQUS有限元代码进行了数值模拟。模拟中考虑了桩头的自由头和固定头边界条件，并施加了两种不同水平的垂直机械载荷，以考察载荷水平对循环行为的影响。研究采用了多种土体本构模型，其中包括能够模拟热诱导体积坍塌的先进模型。研究结果表明，热坍塌对循环轴向载荷的发展具有不可忽视的影响，这提示在设计过程中必须考虑这一因素。研究发现桩头处的轴向力会重新分布，这种分布可能影响桩群的地基侧向承载能力以及结构安全性，因此应在设计中予以考虑。如果仅依靠数值分析进行评估，简单的本构模型可能无法准确反映实际情况。

问题定义与有限元建模

问题描述与有限元建模

有限元模型的关键特性如图1a所示。每次模拟均为完全耦合的热-水-力学分析，研究对象为一根长度为25米、直径为0.5米的单根桩，该桩嵌入到正常固结的饱和伦敦粘土中（地下水位与地面齐平）。由于问题的对称性，采用了二维建模方法。假设桩处于固定位置，且为非多孔弹性介质。建模使用了1000个四边形单元来模拟位移和温度变化。

自由头能量桩

能量桩的轴向载荷性能主要受温度、桩与土壤之间的刚度差异以及热膨胀系数不匹配的影响。图2展示了自由头桩在第一个热循环各阶段轴向力的变化情况。

结论

本研究首次探讨了热坍塌对桩基行为的潜在影响。研究以一根嵌入正常固结饱和伦敦粘土中的能量桩为例，通过不同的土体本构模型进行了完全耦合的热-水-力学数值分析。结果重点讨论了能量桩在循环热力学加载过程中轴向力的变化情况。

未引用参考文献

1, 13, 21, 30, 8

作者贡献声明

Chiara Iodice：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、方法论设计、数据整理、概念框架构建。 Alessandro Mandolini：撰写、审稿与编辑、指导工作、概念框架构建。 Raffaele Di Laora：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、指导工作、方法论设计、概念框架构建。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。